Свободная и связанная вода.

Связанная вода:

1 прочносвязанная (гигроскопическая) вода;

2 рыхлосвязанная вода.

Вода в глинистых грунтах в значительной степени предопределяет свойства грунта, которые зависят в первую очередь от ее относительного содержания. Это объясняется взаимодействием молекул воды вследствие наличия электромолекулярных сил с поверхностями коллоидных и глинистых частиц грунта. Твердые частицы грунта, состоящие из тех или иных обычно кристаллических минералов, имеют на поверхности заряд статического электричества, чаще всего отрицательный. Молекулы же воды, являясь диполями, и ионы различных веществ противоположного заряда, растворенных в грунтовой воде, попадая в поле заряда частицы грунта, ориентируются определенным образом и притягиваются к поверхности этой частицы. В результате поверхность твердой частицы покрывается монослоем молекул воды.

Вода, адсорбированная на поверхности твердых частиц, называется связанной (она связана с твердыми частицами). Эта вода создает гидратные пленки вокруг твердых частиц и ее часто называют пленочной. Поскольку в пределах слоя адсорбированной воды удельные силы взаимодействия изменяются от очень больших величин до нуля, такой слой принято условно делить на слои прочносвязанной и рыхлосвязанной воды.

Прочносвязанная вода, слой которой состоит из одного или нескольких слоев молекул, обладает свойствами, существенно отличающимися от свойств свободной воды. По свойствам прочносвязанная вода скорее соответствует твердому, а не жидкому телу. Она не отделяется от твердых частиц при воздействии сил, в тысячи раз превышающих силы земного притяжения, замерзает при температуре значительно ниже 0°С, имеет большую, чем свободная вода, плотность, обладает ползучестью; такую воду можно отделять от твердых частиц лишь выпариванием при температуре выше 100 °С.

Рыхлосвязанная вода представляет собой диффузный переходный слой от прочносвязанной воды к свободной. Она обладает свойствами прочносвязанной воды, однако они выражены слабее. Это обусловлено резким уменьшением в слое рыхлосвязанной воды удельных сил взаимодействия между поверхностью твердой частицы и молекулами воды.

Так как в пределах слоя связанной воды удельные силы взаимодействия резко меняются, свойства пылевато-глинистых грунтов в значительной степени будут зависеть от толщины пленок рыхлосвязанной воды. При этом чем больше дисперсность грунта, тем в большей степени будет проявляться эта зависимость, поскольку при большей дисперсности грунта, содержащего глинистые и особенно коллоидные частицы, удельная площадь их поверхности, т. е. суммарная площадь поверхности частиц глин и суглинков, больше, чем у песков, в тысячи раз. Кроме того, она зависит от минералогического состава глинистых частиц. Таким образом, минеральный состав и удельная площадь поверхности частиц пылевато-глинистых грунтов обусловливают их специфические свойства.

Наличие между частицами пылевато-глинистого грунта связанной (пленочной) воды определяет его пластичность. При этом чем толще пленки воды, тем меньше прочность грунта, и наоборот. Изменение толщины пленок воды, окружающих частицы пылевато-глинистого грунта, приводит к изменению его состояния от почти жидкого до твердого. При малой толщине пленок воды пылевато-глинистые грунты обладают сцеплением. Поскольку сцепление в значительной степени обусловлено наличием связанной воды, такие грунты обладают присущей этой воде ползучестью.

Увлажнение пылевато-глинистого грунта приводит к увеличению толщины пленок воды между частицами и сопровождается увеличением объема грунта, т. е. грунт набухает. Наоборот, при высыхании пылевато-глинистые грунты уменьшаются в объеме вследствие утончения пленок воды (грунт получает усадку). Когда связность грунта обусловлена наличием пленочной воды или растворимых солей, увлажнение грунта может приводить к полному его размоканию.

Если пылевато-глинистый грунт содержит небольшое количество рыхлосвязанной воды и при этом все его поры заполнены водой, фильтрация ее практически невозможна. В связи с этим строители используют перемятую глину в качестве гидроизоляционного материала.

Связность (прочность) грунта, зависящая от толщины слоя рыхлосвязанной воды, может резко снижаться при нарушении определенного расположения молекул воды и частиц (например, при динамических воздействиях или перемятии).

Свободная вода:

капиллярная вода;

гравитационная вода.

Капиллярная вода передвигается в тонких порах почвы. Это движение происходит в силу поверхностного натяжения и смачивания. Вода по капиллярам поднимается тем выше, чем меньше диаметр капилляра, тем тяжелее механический состав почвы и грунта.

Собственно капиллярная вода поднимается кверху от уровня грунтовых вод. При уменьшении количества капиллярной воды в связи с высыханием грунта наблюдается восстановление ее благодаря подъему по капиллярным порам новой части грунтовой воды, подобно тому, как это происходит в капиллярной трубке, опущенной одним концом в воду.

Подвешенная вода чаще всего встречается в песках. Она возникает как в однородной, так и в слоистых толщах при промачивании их сверху. В однородной толще образование подвешенной влаги зависит от гранулометрического состава песка и его исходной влажности. В грубозернистых песках подвешенная вода не образуется.

Подвешенная вода отличается от капиллярной тем, что она не имеет непосредственной связи с уровнем грунтовых вод, вследствие чего не может питаться ими. В таком состоянии воду в грунте можно сравнить с водой в капилляре, нижний конец которого не опущен в воду.

В сухих песках подвешенная вода образуется в верхних горизонтах; мощность ее измеряется сантиметрами, реже дециметрами. В слоистых толщах подвешенная вода образуется на границе двух слоев, различных по гранулометрическому составу.

Гравитационная вода подразделяется на просачивающуюся воду и воду грунтового потока. Просачивающаяся вода находится преимущественно в зоне аэрации и передвигается под влиянием силы тяжести сверху вниз. Это движение продолжается до тех пор, пока она не встретит на своем пути слой грунта, обладающий малой водопроницаемостью — фактически водонепроницаемый, водоупорный горизонт. После этого дальнейшее движение воды происходит под влиянием напора в виде грунтового потока. Слой грунта, в котором движется вода грунтового потока, называется водоносным горизонтом.

Просачивающаяся вода оказывает локальное воздействие на толщу пород. В частности, глинистые, лёссовые и другие связные грунты теряют прочность лишь на пути ее движения. В других точках пласта прочность породы сохраняется. Вода грунтового потока оказывает воздействие на весь пласт, по которому она движется.

Содержание гравитационной воды в грунте зависит от характера его пористости. В глинистых грунтах, где количество макропор незначительно, гравитационная вода находится в небольшом количестве и при большом уплотнении грунта может совсем отсутствовать. В крупнообломочных грунтах (гравий, галечник) и в крупнозернистых песках гравитационная вода может преобладать над другими видами воды.

Гравитационная вода обладает всеми свойствами обычной воды. По своему химическому составу она может быть различна, так как содержит в себе растворенные соли и газы, а также вещества в коллоидальном состоянии. Количество веществ, содержащихся в грунтовой воде, называется общей минерализацией воды и может колебаться в широких пределах: от нескольких сот миллиграммов до нескольких сот граммов на литр, в то время как соленость морской воды составляет примерно 35 г/л. Минерализация подземных вод, как правило, увеличивается с глубиной. Наибольшее количество растворимых солей находится в водах, циркулирующих в районах соляных месторождений и в пустынных и полупустынных областях в условиях засушливого климата.

Растворенные в воде соли находятся в подвижном равновесии с твердой составляющей грунтов и взаимодействуют с ней. В коллоидальном состоянии находятся кремнекислота и полуторные окислы. Среднее значение рН для грунтовых вод колеблется около 7. С повышением общей минерализации значение рН увеличивается. В районах развития известняков, солонцеватых глин и солонцовых почв величина рН природной воды может достигать 9—10.